Что такое черная дыра
Черная дыра — это область в космосе с такой сильной гравитацией, что она втягивает все вокруг, включая свет. Профессор SAR Сергей Попов объясняет, что у черных дыр нет четкого определения, и это тоже один из вариантов. Если вы спросите нескольких ученых — астрофизиков и физиков — они подойдут к ответу с разных сторон. Есть энциклопедические словари, консолидирующие определения и дающие конкретные ответы, но нет единой правильной формулировки.
Сам Сергей определяет черные дыры как наиболее компактный объект, не имеющий свойств поверхности. И размер этого объекта соответствует радиусу Шварцшильда, расстоянию от центра тела до горизонта событий. Где горизонт событий — это «точка невозврата» или край черной дыры. У каждого объекта есть свой радиус Шварцшильда, который можно вычислить. Если сжать объект на этом радиусе, он превратится в черную дыру. Условно говоря, если бы мы хотели сжать Солнце и превратить его в черную дыру, его радиус был бы всего 3 км, тогда как первоначальный был около 700 000 км.
Само словосочетание «черная дыра» — просто продуманное обозначение. Немного похоже на Большой взрыв. Сама идея черных дыр возникла в конце 18 века. Так они и назывались по-разному: были варианты «замороженные звезды» или «коллапсар». Но в конце концов научный журналист Энн Юинг придумала такой термин.
Сергей говорит, что в науке часто приживается определенная фраза именно потому, что это удобно. Дыра — потому что, если что-то попадает туда, назад уже не может. И черный — потому что сам этот объект ничего или практически ничего не излучает. Если вы представите пустую вселенную, черное пространство и поместите в него черную дыру, то увидеть это будет невозможно. Он ничем не выделяется на фоне этой тьмы.
Черные дыры как область пространства-времени
Черные дыры также определяются как область пространства-времени. Сергей Попов объясняет, что все современные теории гравитации являются геометрическими. Они описывают гравитацию как свойство пространства и времени. Это означает, что вы можете составить уравнение между пространством и временем, это взаимосвязанные величины.
С начала двадцатого века, со времени первых работ Эйнштейна по теории относительности, пространство и время в определенной степени были объединены. Любые тела, не только массивные, но и самые маленькие, складывают пространство вокруг себя и одновременно влияют на ход времени. Современные измерения позволяют определить, что время идет не в одном месте, а в другом. Вы можете поэкспериментировать и найти эту разницу.
Черная дыра — это крайний способ воздействия на пространство — когда в одном месте собрано столько вещества или энергии, что пространство-время сморщилось и сформировало определенную область. Мы можем сказать, что черная дыра — это объект, но с повседневной точки зрения объект — это то, что имеет поверхность. Если вы войдете в полностью темную комнату, вы можете натолкнуться на стол, это будет объект с началом в определенной точке. Если в совершенно темной комнате или с завязанными глазами вы упадете в черную дыру, ее край невозможно заметить. Поскольку твердой поверхности нет, человек сразу окажется внутри этой области.
Сергей сравнивает этот переход с государственными или региональными границами. Если пройти по лесу из одной страны в другую, без указателей и карт невозможно заметить, в какой точке заканчивается одно государство и начинается другое. Лес в Финляндии ничем не отличается от леса в России, и здесь нет четкой границы, в которую можно попасть. А черная дыра — это область, в которой масса свернулась в пространстве-времени, и в результате ни один объект не может покинуть ее, как только он пересечет границу. Все, что туда попало, навсегда останется за горизонтом.
Черные дыры представляют интерес прежде всего как экстремальные объекты. Это наиболее запутанное пространство-время, и многие эффекты становятся более заметными вблизи черных дыр. Начинают появляться принципиально новые физические явления.
В теории гравитации они стремятся максимально приблизиться к этим экстремальным объектам. Поэтому, говорит Сергей, изучение поведения материи около черных дыр — очень интересное дело.
Как обнаружить черную дыру
В конце своей жизни массивные звезды могут превращаться в черные дыры. И на этапе, когда они как раз пытались найти первые черные дыры, возник вопрос: как их найти. Первая идея была такая: звезды, особенно массивные, часто рождаются парами. Одна из этих звезд превращается в черную дыру, и мы перестаем ее видеть. Однако продолжает существовать. Предполагалось, что мы сможем увидеть вращение ближайшей звезды вокруг этого невидимого объекта, используя вычисления, чтобы измерить его массу и обнаружить, что в этом месте есть черная дыра.
Сергей Попов утверждает, что исторически это был первый предложенный метод исследования. С 1960-х годов ученые пытались найти их этим методом, но ничего не нашли. Возможные кандидаты на звание черных дыр начали появляться в последние пару лет, но ученые до сих пор не уверены, связаны ли они с обычными звездами.
Если мы обратимся к черной дыре, смежной со звездой, материя нормальной звезды может перетечь в дыру. Черная дыра будет всасывать это вещество своей гравитацией. Если вы представите, что в него одновременно были брошены два камня, они могут столкнуться на горизонте со скоростью, почти равной скорости света. При таком столкновении выделяется много энергии, которую можно заметить.
Но звезды не камни, а газ. Когда разные слои газа трутся друг о друга, они нагреваются до миллионов градусов, и это тепло можно увидеть. С помощью этого метода в конце 1960-х — начале 1970-х годов, когда в космос были запущены первые детекторы рентгеновского излучения, были обнаружены и первые черные дыры.
В начале 1960-х стало ясно, что существуют светящиеся астрономические объекты — квазары. Буквально — «звездообразный радиоисточник». Это ядра галактик, активные на ранней стадии развития, в центре которых находятся сверхмассивные черные дыры. Их можно обнаружить даже на очень большом расстоянии. В ходе изучения квазаров выяснилось, что это небольшой источник, который находится в центре далекой галактики и при этом излучает много энергии. Попов говорит, что когда ученые открывают квазар, они уверены, что там «сидит» сверхмассивная черная дыра. Сейчас это самый массовый способ обнаружить черные дыры.
Квазар вид
Почти все массивные звезды превращаются в черные дыры, но не все они находятся в двойных системах или не имеют переполнения. В этом случае поиск отверстий осуществляется иначе. Сергей говорит, что черная дыра сильно искажает пространство-время вокруг себя, но важна не столько масса, сколько компактность. Это легко понять, просто представьте заостренный предмет. Это статья с очень маленькой площадью. Если вы просто ткните куда-то пальцем, вы не сможете проткнуть поверхность, а если надавить на иглу с той же силой, палец, которым вы надавите на нее, проткнет. Таким образом, маленькие объекты с одинаковой массой с большей силой изгибают пространство-время вокруг себя. Этот эффект называется гравитационным линзированием.
Ученые наблюдают за звездой и внезапно замечают, что ее яркость увеличивается, а затем полностью симметрично падает. Со звездой ничего не случилось, но между нами и звездой пролетел огромный объект. И этот огромный объект, искажающий пространство-время, собирал лучи света.
Таким образом, похоже, что яркость звезды увеличивается, но на самом деле было собрано больше света и дошло до нее. Звезда с массой, в десять раз превышающей массу Солнца, будет светить очень четко, ученые не останутся незамеченными. И в таких наблюдениях появляется абсолютно темный объект с массой около десяти масс Солнца. Что бы это могло быть? Просто черная дыра.
Если есть пара черных дыр, то, сливаясь, они будут генерировать гравитационную волну. А в 2015 году такие всплески гравитационного излучения были зарегистрированы впервые. Это последний на сегодняшний день хороший способ найти черные дыры.
Визуализация двух черных дыр
Сингулярность и горизонт Коши
Современные физики, работающие в различных областях теории относительности, считают, что помимо горизонта событий у черных дыр есть внутренний горизонт Коши. Это гипотетическая граница, за которой перестает работать обычная теория детерминизма (учение о регулярности и причинности всех событий и явлений — RT).
Ученые из Калифорнийского университета в Беркли (США) провели подробное исследование черных дыр и всего, что с ними связано, и представили ряд интересных результатов.
Американские физики утверждают, что они еще не смогли заглянуть за горизонт Коши, но математические модели показывают, что там могут происходить события по совершенно непредсказуемым сценариям.
«Ни один физик не отправится к черной дыре и не измерит ее. Это математический вопрос. Но с этой точки зрения фундаментальные уравнения Эйнштейна становятся более интересными, что приводит нас к выводам, которые меняют представление о физике черных дыр. Все это говорит о том, что теория детерминизма может быть абсолютно несовместима с общей теорией относительности, как считалось ранее », — отмечает автор исследования Питер Хинц.
Согласно работе Эйнштейна, в центре черной дыры находится так называемая сингулярность — точка в пространстве-времени, где перестают работать обычные законы физики. В то же время гравитация внутри него настолько велика, что все, что попадает, тут же уничтожается.
Что произойдет в начале падения
Ничего хорошего. Вы умрете довольно мучительной смертью от чудовищной перегрузки и тяжести. Но мы думаем, у тебя все будет хорошо. Что произойдет, если вы упадете в черную дыру?
Сначала рассмотрим пример с нормальной звездой. Пролетите определенное расстояние, затем разрежьте его пополам, и его угловой размер покажется вам вдвое больше. Другая половина — в четыре раза больше и так далее. Вот как работает геометрия обычных объектов — чем ближе вы подходите к ним, тем больше они появляются.
Но черные дыры не такие: когда вы сокращаете расстояние с ними, вы заметите, что они растут намного быстрее, чем любой другой объект. Это связано с сильной кривизной пространства. Кроме того, чем ближе вы подходите к горизонту событий, тем более искривленным становится пространство и тем шире становится отверстие. Поэтому, если вы подойдете очень близко к тени, она станет для вас настолько большой, что закроет весь вид перед вами. Вы не увидите перед собой ничего, кроме черной пустоты. Когда вы войдете на внутреннюю круговую орбиту, вы увидите, что даже сзади все начинает темнеть, так как пространство здесь сильно искривлено и свет движется по-другому.
Черные дыры
Даже если вы еще не достигли горизонта событий, у вас есть шанс избежать объятий черной дыры. Гравитация здесь огромна, но не бесконечна. Используйте датчики силы тяжести, чтобы показать, где нисходящий градиент превращается в плоскость — выход будет. Проще говоря, ходите в свете, его здесь не так много.
Какие бывают черные дыры
Черные дыры бывают разных форм и могут быть смоделированы с разными уровнями сложности. Например, одни могут вращаться, а другие содержат электрический заряд. Итак, если вы попадете в одну (ну, допустим, вас раньше не раздирали), ваша точная судьба может зависеть от того, с какой черной дырой вы столкнетесь.
На простейшем уровне есть три типа черных дыр: звездные черные дыры, сверхмассивные черные дыры и черные дыры средней массы (реликвии).
Черные дыры звездной массы образуются, когда очень большие звезды завершают свой жизненный цикл и коллапсируют. Разрушенные черные дыры все еще плохо изучены, и лишь некоторые из этих объектов были обнаружены с течением времени. Но астрономы считают, что процесс их образования аналогичен процессу образования сверхмассивных черных дыр.
Сверхмассивные черные дыры населяют центры большинства галактик и могут достигать невероятных размеров. Они в десятки миллиардов раз массивнее нашего Солнца из-за поглощения звезд и слияния с другими черными дырами.
После разрушения звезда может превратиться в черную дыру
Звездные черные дыры могут быть крошечными по размеру по сравнению со своими старшими братьями, но на самом деле у них есть более экстремальные приливные силы за пределами их горизонта событий. Это различие связано с особым свойством черных дыр, которое может удивить некоторых случайных наблюдателей. Меньшие черные дыры на самом деле имеют более сильное гравитационное поле, чем сверхмассивные. То есть вы с большей вероятностью заметите изменение гравитации возле небольшой черной дыры.